CN114086102A - 一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3‑YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法,属于热障涂层技术领域,本发明所述双陶瓷层热障涂层是由金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/ 3Ta2/3)O3陶瓷面层组成。所述方法为:采用等离子喷涂技术在经喷砂处理的基体表面依次沉积金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层。所述方法可控性强、重复性好且成本较低,所得涂层具有良好的抗热冲击性能,解决了Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层涂层在使用过程中过早剥落失效的问题。
Description
技术领域
本发明属于热障涂层技术领域,具体涉及一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层作为高性能航空发动机研制的关键技术之一,其应用可以显著提升发动机的服役温度,大幅提高发动机的推重比和热效率。7~8 wt.% Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ),因其优异的综合性能,是目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料。但面对新一代航空发动机更高推重比的发展要求,更高的涡轮前进口温度导致YSZ涂层的表面温度超过1200℃。在此温度长期使用时,YSZ暴露出的相变、烧结等问题将恶化涂层的隔热性能和应变容限,使涂层过早地剥落失效,无法保障航空发动机的安全服役。因此,为了适应新一代航空发动机更加严苛的热防护需求,迫切需要研发可耐更高使用温度的新型超高温、长寿命陶瓷涂层材料。
钙钛矿结构材料ABO3因A、B位元素丰富的可替代性而使其性能具有较大的可调控性,近年来逐渐受到研究者关注。其中,复合钙钛矿结构材料Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 具有高达3100℃的熔点、与YSZ材料相当的热导率(2.5W·m-1·K-1,1200℃)和热膨胀系数(9.5~11.5×10-6K-1,200-1200℃)、较YSZ更低的杨氏模量(186 ± 2GPa)和烧结速率,这些特性使其在热障涂层领域展现出很好的应用潜力。然而,在对Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 作为热障涂层陶瓷层材料的研究中发现,大气等离子喷涂制备的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 单陶瓷层涂层的抗热冲击性能很差,存在过早剥落失效的问题,严重限制了其应用发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法,所述方法制备的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层具有良好的抗热冲击性能,所述方法可控性强、重复性好且成本较低。
本发明采用如下技术方案:
一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层,包括基体表面依次沉积的金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层。
进一步地,所述基体包括纯金属或合金。
进一步地,所述金属粘结层为CoNiCrAlY,成分为Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y(wt%)。
进一步地,所述YSZ陶瓷中间层为7wt%Y2O3部分稳定的ZrO2。
进一步地,所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层选用Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末制备。
进一步地,所述金属粘结层的厚度为70~120μm,YSZ陶瓷中间层的厚度为150~350μm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层的厚度为350~150μm。
一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法如下:
第一步,采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗,并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理,使粗糙度达到3~5μm;
第二步,利用等离子射流对基体表面进行扫描预热,控制基体预热温度为100~150℃;
第三步,采用等离子喷涂技术,将CoNiCrAlY粉末喷涂到第二步处理后的基体表面,得到金属粘结层;
第四步,采用等离子喷涂技术,将YSZ粉末喷涂到金属粘结层表面,得到YSZ陶瓷中间层;
第五步,采用等离子喷涂技术,将Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末喷涂到YSZ陶瓷中间层表面,即可获得所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层。
进一步地,所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末的制备方法如下:
第一步,将BaCO3、Ta2O5和MgO按照Ba(Mg1/3Ta2/3)O3计量称量后,和无水乙醇一并装入球磨罐中,球磨混合得到均匀浆料a;
球磨采用行星式球磨机,球料比4:1,转速400rpm,时长6h;磨球为直径10mm、8mm和5mm的ZrO2球;
第二步,将第一步得到的浆料a旋蒸烘干,得到混合粉末;
旋蒸条件为转速80rpm,水浴温度80℃;烘干条件为温度100℃,时长10h;
第三步,将第二步得到的混合粉末装入坩埚,置于马弗炉内高温煅烧反应;
高温煅烧条件为:以5℃/min升温速率加热至1450℃保温4h后随炉冷却;
第四步,将第三步得到的煅烧粉末研磨、过筛,与粘结剂、分散剂一并进行球磨获得浆料b;
所述煅烧粉末研磨过筛后粒径为10μm,所述粘结剂和分散剂分别为聚乙烯醇和去离子水;球磨时,以粉末和去离子水的总体质量为100%计,粉末和分散剂的质量占比分别为40%和60%,粘结剂占粉末总质量的0.4%,球料比2:1;球磨参数为:转速250rpm,时长2h。
第五步,将第四步得到的浆料b通过喷雾干燥塔进行团聚处理;
所述团聚处理条件为:喷雾干燥塔进口温度310℃,出口温度120℃,蠕动泵转速40rpm,雾化盘转速35Hz;
第六步,将第五步得到的粉末进行高温致密化处理,过筛,即可获得所述Ba(Mg1/ 3Ta2/3)O3团聚粉末;
所述中高温致密化处理通过马弗炉进行,以2℃/min升温速率加热至550℃保温3h,然后以5℃/min升温速率加热至1500℃保温6h后随炉冷却。
进一步地,第三步中等离子喷涂具体工艺参数为:主气Ar流量40~60L/min,辅气He流量3~6L/min,载气Ar流量2~4L/min,电流450~650A,送粉量2~6rpm,喷涂距离60~90mm,CoNiCrAlY粉末的粒径为10~45μm。
进一步地,第四步中等离子喷涂具体工艺参数为:主气Ar流量20~50L/min,辅气He流量15~30L/min,载气Ar流量2~4L/min,电流700~900A,送粉量2~6rpm,喷涂距离60~90mm,YSZ粉末的粒径为20~40μm。
进一步地,第五步中等离子喷涂具体工艺参数为:主气Ar流量30~60L/min,辅气He流量0L/min,载气Ar流量3~6L/min,电流650~850A,送粉量2~6rpm,喷涂距离50~70mm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末的粒径为40~70μm。
本发明的有益效果如下:
本发明所述的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法,所得涂层具有良好的抗热冲击性能,解决了Ba(Mg1/3Ta2/3)O3涂层在使用过程中过早剥落失效的问题。
附图说明
图1为实施例1制得的350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图(SEM)。
图2为实施例2制得的250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图(SEM)。
图3为实施例3制得的150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图(SEM)。
图4为本发明提出的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层和同等陶瓷层厚度的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命图。
具体实施方式
结合附图,对本发明作进一步说明。
基体为GH3128镍基高温合金,购自钢铁研究总院;
等离子喷涂设备为美国Praxair-TAFA公司生产的5500型大气等离子喷涂 设备,喷枪型号为SG100;
扫描电子显微镜为日本Hitachi SU8010高分辨冷场发射扫描电子显微镜;
热冲击实验设备为BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器。
实施例1
(1)采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗,并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理,使粗糙度达到5μm,后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂粒和灰尘。
(2)利用等离子射流对基体表面进行扫描预热,控制基体预热温度为150℃。
(3)采用等离子喷涂技术,将粒径为10~45μm的CoNiCrAlY粉末喷涂到步骤(2)处理后的基体表面,得到金属粘结层。具体喷涂工艺参数为:主气Ar流量56L/min,辅气He流量4.7L/min,载气Ar流量3.8L/min,电流550A,送粉量2rpm,喷涂距离75mm,粘结层厚度为80μm。
(4)采用等离子喷涂技术,将粒径为20~40μm的YSZ粉末喷涂到步骤(3)得到的金属粘结层表面,获得YSZ陶瓷中间层。具体喷涂工艺参数为:主气Ar流量35L/min,辅气He流量21.2L/min,载气Ar流量3.8L/min,电流850A,送粉量4rpm,喷涂距离75mm,YSZ陶瓷中间层厚度为150μm。
(5)采用等离子喷涂技术,将粒径为40~70μm的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末喷涂到步骤(4)得到的YSZ陶瓷中间层表面,即可获得所述350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷层热障涂层。等离子喷涂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的具体工艺参数为:主气Ar流量38L/min,辅气He流量0L/min,载气Ar流量4.7L/min,电流750A,送粉量4rpm,喷涂距离60mm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层厚度为350μm。
图1为本实施例中制备的350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图(SEM)。涂层中基体、粘结层及双陶瓷层间结合紧密,未出现开裂、孔洞或贯穿裂纹等。
采用BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器对上述涂层在热端温度1400℃,冷端温度950~1000℃的条件下保温600s,然后使用压缩空气对试样进行强制冷却100s,进行抗热冲击性能测试。经过69次热冲击后,350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷涂层热障涂层的剥落面积达到20%,而Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层达到同等失效条件的热冲击寿命仅为5次。350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷涂层相比Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命提高了12.8倍。
实施例2
(1)采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗,并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理,使粗糙度达到5μm,后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂粒和灰尘。
(2)利用等离子射流对基体表面进行扫描预热,控制基体预热温度为150℃。
(3)采用等离子喷涂技术,将粒径为10~45μm的CoNiCrAlY粉末喷涂到步骤(2)处理后的基体表面,得到金属粘结层。具体喷涂工艺参数为:主气Ar流量56L/min,辅气He流量4.7L/min,载气Ar流量3.8L/min,电流550A,送粉量2rpm,喷涂距离75mm,粘结层厚度为80μm。
(4)采用等离子喷涂技术,将粒径为20~40μm的YSZ粉末喷涂到步骤(3)得到的金属粘结层表面,获得YSZ陶瓷中间层。具体喷涂工艺参数为:主气Ar流量35L/min,辅气He流量21.2L/min,载气Ar流量3.8L/min,电流850A,送粉量4rpm,喷涂距离75mm,YSZ陶瓷中间层厚度为250μm。
(5)采用等离子喷涂技术,将粒径为40~70μm的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末喷涂到步骤(4)得到的YSZ陶瓷中间层表面,即可获得所述250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷层热障涂层。等离子喷涂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的具体工艺参数为:主气Ar流量38L/min,辅气He流量0L/min,载气Ar流量4.7L/min,电流750A,送粉量4rpm,喷涂距离60mm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层厚度为250μm。
图2为本实施例中制备的250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图(SEM)。涂层中各层结合紧密,涂层内部和界面处未出现开裂、孔洞或贯穿裂纹等。
采用BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器对上述涂层在热端温度1400℃,冷端温度950~1000℃的条件下保温600s,然后使用压缩空气对试样进行强制冷却100s,进行抗热冲击性能测试。经过70次热冲击后,250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷涂层热障涂层的剥落面积达到20%,而Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层达到同等失效条件的热冲击寿命仅为5次。250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷涂层相比Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命提高了13倍。
实施例3
(1)采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗,并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理,使粗糙度达到5μm,后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂粒和灰尘。
(2)利用等离子射流对基体表面进行扫描预热,控制基体预热温度为150℃。
(3)采用等离子喷涂技术,将粒径为10~45μm的CoNiCrAlY粉末喷涂到步骤(2)处理后的基体表面,得到金属粘结层。具体喷涂工艺参数为:主气Ar流量56L/min,辅气He流量4.7L/min,载气Ar流量3.8L/min,电流550A,送粉量2rpm,喷涂距离75mm,粘结层厚度为80μm。
(4)采用等离子喷涂技术,将粒径为20~40μm的YSZ粉末喷涂到步骤(3)得到的金属粘结层表面,获得YSZ陶瓷中间层。具体喷涂工艺参数为:主气Ar流量35L/min,辅气He流量21.2L/min,载气Ar流量3.8L/min,电流850A,送粉量4rpm,喷涂距离75mm,YSZ陶瓷中间层厚度为350μm。
(5)采用等离子喷涂技术,将粒径为40~70μm的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末喷涂到步骤(4)得到的YSZ陶瓷中间层表面,即可获得所述150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷层热障涂层。等离子喷涂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的具体工艺参数为:主气Ar流量38L/min,辅气He流量0L/min,载气Ar流量4.7L/min,电流750A,送粉量4rpm,喷涂距离60mm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层厚度为150μm。
图3为本实施例中制备的150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图(SEM)。涂层中基体、粘结层及双陶瓷层间结合良好,未观察到开裂、孔洞或贯穿裂纹等明显缺陷。
采用BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器对上述涂层在热端温度1400℃,冷端温度950~1000℃的条件下保温600s,然后使用压缩空气对试样进行强制冷却100s,进行抗热冲击性能测试。经过74次热冲击后,150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷涂层热障涂层的剥落面积达到20%,而Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层达到同等失效条件的热冲击寿命仅为5次。150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷涂层相比Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命提高了13.8倍。
Claims (7)
1.一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层,其特征在于:包括基体表面依次沉积的金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层;
所述基体包括纯金属或合金;
所述金属粘结层为CoNiCrAlY,成分为以质量百分数计的Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y;
所述YSZ陶瓷中间层为7wt%Y2O3部分稳定的ZrO2;
所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层选用Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末制备。
2.根据权利要求1所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层,其特征在于:所述金属粘结层的厚度为70~120μm,YSZ陶瓷中间层的厚度为150~350μm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层的厚度为350~150μm。
3.一种如权利要求1或2所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
第一步,采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗,并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理,使粗糙度达到3~5μm;
第二步,利用等离子射流对基体表面进行扫描预热,控制基体预热温度为100~150℃;
第三步,采用等离子喷涂技术,将CoNiCrAlY粉末喷涂到第二步处理后的基体表面,得到金属粘结层;
第四步,采用等离子喷涂技术,将YSZ粉末喷涂到金属粘结层表面,得到YSZ陶瓷中间层;
第五步,采用等离子喷涂技术,将Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末喷涂到YSZ陶瓷中间层表面,即可获得所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层。
4.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法,其特征在于:所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末的制备方法如下:
第一步,将BaCO3、Ta2O5和MgO按照Ba(Mg1/3Ta2/3)O3计量称量后,和无水乙醇一并装入球磨罐中,球磨混合得到均匀浆料a;
球磨采用行星式球磨机,球料比4:1,转速400rpm,时长6h;磨球为直径10mm、8mm和5mm的ZrO2球;
第二步,将第一步得到的浆料a旋蒸烘干,得到混合粉末;
旋蒸条件为转速80rpm,水浴温度80℃;烘干条件为温度100℃,时长10h;
第三步,将第二步得到的混合粉末装入坩埚,置于马弗炉内高温煅烧反应;
高温煅烧条件为:以5℃/min升温速率加热至1450℃保温4h后随炉冷却;
第四步,将第三步得到的煅烧粉末研磨、过筛,与粘结剂、分散剂一并进行球磨获得浆料b;
所述煅烧粉末研磨过筛后粒径为10μm,所述粘结剂和分散剂分别为聚乙烯醇和去离子水;球磨时,以粉末和去离子水的总体质量为100%计,粉末和分散剂的质量占比分别为40%和60%,粘结剂占粉末总质量的0.4%,球料比2:1;球磨参数为:转速250rpm,时长2h;
第五步,将第四步得到的浆料b通过喷雾干燥塔进行团聚处理;
所述团聚处理条件为:喷雾干燥塔进口温度310℃,出口温度120℃,蠕动泵转速40rpm,雾化盘转速35Hz;
第六步,将第五步得到的粉末进行高温致密化处理,过筛,即可获得所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末;
所述中高温致密化处理通过马弗炉进行,以2℃/min升温速率加热至550℃保温3h,然后以5℃/min升温速率加热至1500℃保温6h后随炉冷却。
5.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法,其特征在于:第三步中等离子喷涂具体工艺参数为:主气Ar流量40~60L/min,辅气He流量3~6L/min,载气Ar流量2~4L/min,电流450~650A,送粉量2~6rpm,喷涂距离60~90mm,CoNiCrAlY粉末的粒径为10~45μm。
6.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法,其特征在于:第四步中等离子喷涂具体工艺参数为:主气Ar流量20~50L/min,辅气He流量15~30L/min,载气Ar流量2~4L/min,电流700~900A,送粉量2~6rpm,喷涂距离60~90mm,YSZ粉末的粒径为20~40μm。
7.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法,其特征在于:第五步中等离子喷涂具体工艺参数为:主气Ar流量30~60L/min,辅气He流量0L/min,载气Ar流量3~6L/min,电流650~850A,送粉量2~6rpm,喷涂距离50~70mm,Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末的粒径为40~70μm。
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CN202111434642.9A CN114086102A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法 |
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CN202111434642.9A CN114086102A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法 |
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CN114574798A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-06-03 | 华东理工大学 | 一种高应变容限抗烧结热障涂层结构设计与制备方法 |
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US20040156724A1 (en) * | 2001-06-15 | 2004-08-12 | Taiji Torigoe | Thermal barrier coating material method of production thereof, gas turbine member using the thermal barrier coating material, and gas turbine |
CN102127738A (zh) * | 2010-11-25 | 2011-07-20 | 北京航空航天大学 | 一种多层热障涂层及其制备方法 |
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2021
- 2021-11-29 CN CN202111434642.9A patent/CN114086102A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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曹毓鹏;王全胜;柳彦博;邵雅婷;: "Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_3热障涂层的制备及抗热震性能", 稀有金属材料与工程, no. 1 * |
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